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丰田第二代Mirai乘用车燃料电池系统架构(二)

时间:2024-04-02 来源: 浏览:

丰田第二代Mirai乘用车燃料电池系统架构(二)

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阳极热管理和水管理是燃料电池系统集成结构设计的重点 。本文分享丰田第二代Mirai燃料电池氢循环系统的热管理开发技术。

图1 第二代Mirai燃料电池系统氢循环架构实物

欠氢是车用质子交换膜燃料电池运行的“雷区”,材料、结构和工况设计都应最大程度减少阳极液态水聚集。对于第二代Mirai燃料电池的阳极水管理,【燃料电池干货】微信公众平台此前已展开介绍,详情见下文链接。本文分享第二代Mirai燃料电池系统的阳极热管理开发技术。

文章链接 → 丰田第二代Mirai燃料电池堆阳极入口水管理

图2 第二代Mirai燃料电池系统氢循环架构示意
为提高氢气利用率和实现自增湿,第二代Mirai燃料电池系统具有使电堆阳极排出“废气”向燃料电池供氢通道回流的氢循环路径。由于“废气”中含有电化学反应生成的液态水,因此使用了 排水排气单元总成 来除去液态水。该排水排气单元总成具有将“废气”与生成水分离的 气液分离器 和将分离后的生成水向外部排出的 排水排气阀 ,如下图3所示。阳极“废气”从 导入口 进入排水排气单元总成,在气液分离器中分离出液态水,使分离后的“废气”从 排出口 排出,分离后的液态水在内部的导流下进入储水部,最终通过排水排气阀开合在 排气排水口 排出。

图3 第二代Mirai排水排气单元总成

为了小型化和低成本化,第二代Mirai 使用 树脂材料 将排水排气阀和气液分离器进行一体化制成 ,如下图4所示 。由于树脂材料比金属材料的导热率低,排水排气单元存在冰点下残留液态水冻结的风险。为防止冰点下 残留 生成水冻结导致排水排气单元失效,第二代Mirai排水排气阀的 阀体为金属制 ,并且 对阀体贯通冷却剂温水流路 , 通过在冷却剂流路中流动的高温冷却剂使阀体升温 ,改善冻结问题 。

图4 第二代Mirai排水排气单元总成剖面
除在排水排气单元强制贯通较高温的冷却剂外, 第二代Mirai燃料电池冷却剂 在流经排水排气单元后进入氢气循环泵形成回路 ,如下图5所示。在第一代Mirai燃料电池系统中,氢气循环泵被直接 集成在电堆端板的外侧 。由于接触良好,电堆和氢循环泵温差可保持在一定值内。若氢气循环泵远离电堆,则电堆阳极出口的高温湿“废气”流入温度较低的氢气循环泵, 水分可能会在包括氢循环泵在内的BOP内部冷凝和冻结,导致零部件失效(如冻结失效,转子、定子温差大变形干涉等)和异常噪声 ,尤其 在环境温度较低且电堆和氢循环泵温差较大 时。注意,在环境温度较低的停机过程中,第二代Mirai会采用主动暖机方法提高电堆温度及其与氢循环泵温差。

图5 第二代Mira燃料电池氢气循环冷却路

高温冷却剂流入氢气循环泵除了可以改善低温下电堆和氢循环泵温差抑制冷凝,还可以 提升高温运行下氢循环泵内材料的耐久性 。在高温运行下,若从氢循环泵排出的“废气”温度上升,则可能产生不良状况,如超过氢循环泵排出口密封垫圈耐受温度。尤其在吸入氢循环泵的气体压力超过 220 kPaa,在吸入和排出气体压力差超过 50 kPa时,氢循环泵排气温度可达 130 ℃,对密封件产生热衰减影响。

图6 第二代Mira燃料电池系统氢气循环泵

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